DE4217933C2 - Verfahren zur Bestimmung des Endpunktes für den Frischprozeß in Sauerstoffkonvertern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Endpunk­ tes für den Frischprozeß in Sauerstoffkonvertern bei der Stahlerzeugung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Während des Frischens, also beim Auf- bzw. Einblasen von Sauer­ stoff auf bzw. in die Stahlschmelze, wird im wesentlichen Koh­ lenstoff oxidiert. Am Ende des Sauerstoffblasens ist der Kohlen­ stoffgehalt relativ klein. Daher tritt nun die Reaktion von Ei­ sen mit Sauerstoff in den Vordergrund. Neben der Tatsache, daß durch diese Reaktion der sogenannte braune Rauch entsteht, eine starke Belastung der Umwelt, reagiert das flüssige Eisenoxid mit dem teuren Feuerfest-Futter des Konverters und erhöht so die Feuerfest-Kosten. Gleichzeitig wird das Eisenausbringen verrin­ gert. Deshalb ist das rechtzeitige Abschalten der Sauerstoffzu­ fuhr besonders wichtig. Zudem ist ein erhöhter FeO-Gehalt der Schlacke von Nachteil für die Erzeugung von Stahl mit hohem Reinheitsgrad.

Methoden, den günstigsten Abschaltzeitpunkt zu finden, sind vielfältig. So gibt es allgemeine mathematische Modelle, bei denen der Zeitpunkt auf der Grundlage vorher festgelegter Werte, unter anderem die Schmelze selbst betreffend, ermittelt wird.

Da diese Werte von Charge zu Charge jedoch wechseln, sind diese statischen Modelle nicht in der Lage, den für jede Charge zu­ treffenden Abschaltzeitpunkt zu ermitteln.

Dagegen sind dynamische Modelle, die ein Signal benutzen, eher geeignet, den Frischprozeß befriedigend zu steuern. Eine dieser dynamischen Methoden ist die sogenannte Sublanzentechnik. In der Sublanzentechnik wird eine Probe durch senkrechtes Eintauchen einer Vertikalsonde (Sublanze) genommen und der Kohlenstoffge­ halt durch Messung der Erstarrungstemperatur der Probe bestimmt. Dieses Verfahren ist ungenau.

In der DE-PS 28 39 316 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem durch die Überwachung oder Messung mittels Massenspektrometer und mittels Strömungsmesser die Menge der Entkohlung des geschmolzenen Stahls bestimmt wird. Die Konzentrationsmessung von z. B. CO und CO₂ über die Abgasanalyse sowie die Bestimmung der Abgasrate gibt die Entkohlungsrate. Aus dem Produkt von Entkohlungsrate und Meßzeitintervall ergibt sich die entfernte Kohlenstoffmenge, und eine weitere Aufsummierung der Kohlen­ stoffmengen über die Frischzeit liefert die Gesamtmenge an ver­ gastem Kohlenstoff. Eine Bilanz zwischen eingebrachtem und aus­ gebrachtem Kohlenstoff ergibt die Endkohlenstoffmenge. Dieses Verfahren ist viel zu ungenau und kaum verwendbar für die mo­ derne Prozeßtechnik. In der angeführten Druckschrift, Spalte 13, Zeilen 30ff, wird die Unsicherheit mit ±0,04% C angegeben. Die heutige Prozeßtechnik erfordert eine Meßunsicherheit von höchstens ±0,015% C, bevorzugt sogar von <±0,01% C.

Betrachtet man man einen Konverter mit 100 t geschmolzenem Stahl, dann entspricht eine Standardabweichung von ±0,01% C einer Kohlenstoffmenge von nur ±10 kg. Ein derartig kleiner Ge­ wichtsanteil, gemessen an der Anfangskohlenstoffmenge von rd. 4 t, ist mit dem vorbekannten Verfahren auf keinen Fall bestimm­ bar, so daß es für den genannten Zweck völlig ungeeignet ist.

Das gleiche gilt für eine aus der japanischen Zeitschrift "Transactions ISIJ", Vol 28, 1988, S. 59-67, da auch hier der Kohlenstoffgehalt zur Bestimmung des Endpunktes gemessen werden soll.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu führen, daß individuell für jede Schmelze möglichst frühzeitig und bei einem bestimmten Bad- Kohlenstoffgehalt über die Abschaltung der Sauerstoffzufuhr beim Frischen entschieden werden kann.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit Hilfe der Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegen­ stand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der zeitliche Verlauf einer Anzahl von Abgasbestandteilen massenspektrometrisch ermit­ telt. Gegen Ende des Frischvorganges sinkt der Anteil einzelner Abgasbestandteile, während der Anteil anderer Abgasbestandteile steigt.

Wenn z. B. mit Hilfe des Massenspektrometers die Abgasbestand­ teile CO, CO₂ und N₂ gemessen werden, so stellt sich heraus, daß gegen Ende des Frischvorganges der Anteil an CO fällt, während die Anteile an CO₂ und N₂ ansteigen. Der Anstieg an CO₂ ist da­ bei relativ gering, während der Anstieg an N₂ sehr signifikant ist. Das liegt daran, daß gerade am Ende des Frischvorganges viel Frischluft in den Abgasstrom gelangt. Aus umwelttechnischen Gründen müssen nämlich die Abgase abgesaugt werden. Zwischen Konverteröffnung und Abgashaube befindet sich ein Spalt, durch den mehr und mehr Falschluft angesaugt wird, wenn den Absaugpum­ pen nicht mehr genug Konvertergas angeboten werden kann.

Da das Sinken des CO-Anteils bzw. das Steigen des N₂-Anteils aber zunächst sehr mäßig verläuft, ist nicht gleich zu entschei­ den, ob der Zeitpunkt zum Abschalten der Sauerstoffzufuhr schon erreicht ist. Sicher kann man erst sein, wenn der Abfall des CO- Anteils bzw. der Anstieg des N₂-Anteils signifikant wird. Vor diesem Zeitpunkt kann jedoch schon die Reaktion des Sauerstoffes mit dem Eisen die Überhand über die Reaktion des Sauerstoffs mit dem Kohlenstoff gewonnen haben. Aus diesem Grunde werden aus den gemessenen Abgasbestandteilen Parameter abgeleitet, wie sie bei­ spielhaft in Anspruch 3 aufgeführt sind. Dabei bedeutet G_K = G_A/100 · (100 - N₂ - O₂) ≈ GA/100 · (100 - N₂) , wobei N₂ bzw. O₂ Volumenanteile in % im Abgas sind.

Die Parameter sind so gewählt, daß diese schon dann eine signi­ fikante Änderung zeigen, wenn die Abgasbestandteile erst langsam steigen bzw. fallen.

Auf diese Weise ist es möglich, die Entscheidung über die Ab­ schaltung der Sauerstoffzufuhr schon etwa 2 Minuten früher zu treffen als bei den bekannten Methoden.

Die Erfindung liegt also im Gegensatz zu den bekannten Verfahren darin, daß es auf die Messung genauer absoluter Werte bestimmter Abgasbestandteile nicht ankommt. Es wird kein Bilanzierungsver­ fahren durchgeführt wie im zitierten Stand der Technik, sondern ein Mustererkennungsverfahren. Mit diesem Mustererkennungsver­ fahren werden Fehlergrenzen von <±0,01% C (Standardabweichung) erreicht. Hierzu werden vorgegebene Bedingungen vom Rechner ab­ gefragt. Wenn diese Bedingungen alle mehrmals hintereinander er­ füllt sind, liegt ein stabiler Gradient vor und die Sauerstoff­ zufuhr wird abgeschaltet.

Wichtig für das Verfahren ist es, daß am Beginn der Endpunktbestimmungsmessung der Kohlenmonoxidanteil über 40 Vol-% und der Stickstoffanteil unter 40 Vol-% im Abgasstrom beträgt. Denn erst, wenn diese Anfangsbedingungen gegeben sind, ergibt sich im Verlauf des Frischens ein auswertbarer Abfall des Koh­ lenmonoxidanteils bzw. Anstieg des Stickstoffgehaltes.

Da es also bei dem erfindungsgemäßen Verfahren darauf ankommt, daß die entscheidende signifikante Änderung im zeitlichen Ver­ lauf der Abgasbestandteile bzw. der daraus abgeleiteten Parame­ ter möglichst frühzeitig erkannt wird (Mustererkennung), werden die gemessenen Abgaswerte als Analogwerte mit einem Analog-Digi­ talwandler digitalisiert und mittels des Computerprogrammes aus den gewonnenen Digitalwerten die abgeleiteten Parameter gebil­ det. Meßpunkt für Meßpunkt, die zeitlich etwa 3 Sekunden ausein­ anderliegen, wird abgetastet und die jeweilige zeitliche Verän­ derung wird mit einem Soll-Zustand verglichen. Dieser Sollzu­ stand bedeutet beispielsweise bei CO "fallen", während er bei Stickstoff "steigen" bedeutet. Ergibt die Abtastung, d. h. der Vergleich der zeitlichen Veränderung der Meßpunkte mit dem je­ weiligen Sollzustand in mehreren Durchläufen hintereinander je­ weils die gleiche Tendenz (CO fällt ständig, N₂ steigt ständig) wird ein Signal erzeugt, das dazu benutzt wird, die Sauerstoff­ zufuhr abzuschalten.

Die Zahl der Vergleichsdurchläufe (Loopings) wird vorher festge­ legt und beträgt beispielsweise 7.

Da es im zeitlichen Verlauf der gemessenen Abgaswerte, aber auch vorher schon zu Situationen kommen kann, in denen die Soll-Zu­ stände mehrmals hintereinander getroffen werden, wird die Mu­ stererkennung erst dann gestartet, wenn im zeitlichen Verlauf ein Punkt erreicht ist, ab dem mit dem endgültigen Abfall des CO-Anteils bzw. dem endgültigen Anstieg des N₂-Gehaltes ge­ rechnet werden kann. Das wird beispielsweise mit Hilfe eines der oben angegebenen statischen Modelle grob bestimmt. Es gibt je­ doch auch andere Kriterien, wie z. B. den sogenannten Kohlestop. Bei manchen Stahlherstellungsverfahren wird beispielsweise von unten durch den Konverterboden Kohlenstoff in die Charge einge­ blasen. Wenn genügend Kohlenstoff in der Schmelze vorhanden ist, wird die Kohlenstoffzufuhr gestoppt, während das Frischen wei­ tergeht. Das Mustererkennungsverfahren wird dann beispielsweise 5 min. nach dem Kohlenstop begonnen, d. h., wenn ungefähr sicher ist, daß nur noch wenig Kohlenstoff mit Sauerstoff reagieren kann, der Kohlenmonoxidgehalt im Abgasstrom somit beginnt stetig abzunehmen.

Sind dann die oben genannten Bedingungen über eine vorher be­ stimmte Zeit bzw. vorher bestimmte Anzahl von Vergleichsdurch­ läufen erfüllt, wird vom Rechner ein Signal erzeugt, das entwe­ der im DDC-Modus die Sauerstoffzufuhr selbständig beendet, oder aber zum Konverterleitstand gesendet wird, wo dann die Sauer­ stoffzufuhr vom Bedienungspersonal beendet werden kann. Diese zweite Alternative hat den Vorteil, daß das Bedienungspersonal aufgrund von Erfahrungswerten die Sauerstoffzufuhr trotz des Si­ gnals noch ein wenig aufrechterhalten kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen darge­ stellt und näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der Meß- und Auswerteappara­ tur am Konverter,

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Volumenanteile von CO, CO₂ und N₂,

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf des Verhältnisses von CO und N₂ multipliziert mit dem Konvertergasanteil,

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf des Verhältnisses von CO und N₂ und

Fig. 5 ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Auswerteverfah­ rens.

In der Fig. 1 ist schematisch ein Konverter 1 dargestellt. Die Sauerstoffblaseinrichtung ist aus Übersichtlichkeitsgründen weg­ gelassen. Über der Konverteröffnung 2 befindet sich in einem ge­ ringen Abstand 4 dazu eine Absaughaube 3, über die die Abgase aus dem Konverter 1 in den Kamin 5 gelangen. Die Absaugpumpen sind ebenfalls aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt. Eine schematisch dargestellte Abzweigung 6 aus dem Kamin 5 be­ liefert einen Massenspektrometer 7 mit den zu analysierenden Ab­ gasbestandteilen. Die Meßsignale werden beispielsweise mit Hilfe eines Schreibers 8 über der Zeit aufgetragen. Die Analogwerte werden abgetastet und einem Analog-Digitalwandler 9 zugeführt. Die digitalisierten Werte gelangen in den Rechner 10 und werden dort weiter verarbeitet. Nachdem festgestellt worden ist, daß der richtige Zeitpunkt zum Abschalten der Sauerstoffzufuhr er­ reicht ist, wird vom Rechner 10 ein Signal erzeugt, das im vor­ liegenden Beispiel über den digitalen Ausgang 11 zum nicht dar­ gestellten Konverterleitstand übermittelt wird.

In der Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf der gemessenen Volumen­ anteile in % von Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Stickstoff dar­ gestellt. Die Messungen sind während des Frischens nach einer vorher festgelegten Zeit begonnen worden. Es ist zu erkennen, daß am Frischende, d. h. in diesem Fall im Bereich 10 bis 12 min., die CO-Kurve sinkt und die CO₂- und N₂-Kurven steigen. Die Verläufe der Meßsignale sind nach ca. 10,5 min. eindeutig.

Werden nun bestimmte, abgeleitete Größen, wie z. B. CO/N₂ oder CO² (1/N₂ - 1/100), in Abhängigkeit von der Frischzeit aufgetra­ gen, so ist ein eindeutiger Verlauf noch früher als nach 10, 5 min. zu erkennen.

In Fig. 3 ist für die gleiche Charge wie in Fig. 2 eine Auftra­ gung von (CO/N₂) · (CO [100 - N₂]/100), was CO² (1/N₂ - 1/100) entspricht, als Funktion der Frischzeit durchgeführt worden. Hier ist schon ein eindeutiger Trend nach ca. 8,5 min. erkenn­ bar. Der Verlauf von CO/N₂ in Abhängigkeit von der Frischzeit wird in Fig. 4 dargestellt. Auch in diesem Fall ist ein deutli­ cher Abfall nach ca. 8,5 min. zu sehen.

Das Verfahren basiert auf dem Ertasten der oben angegebenen zeitveränderlichen Größen. Dazu ist es erforderlich, ein Rech­ nerprogramm zu erstellen, wie es schematisch in Fig. 5 darge­ stellt ist, und die Analogwerte in Digitaldaten umzusetzen. Das Rechnerprogramm erzeugt zunächst einmal die abgeleiteten Größen und vergleicht ständig die zeitliche Veränderung mit dem Soll- Zustand.

Damit dieser Vergleich nicht schon am Anfang des Frischverfah­ rens bzw. am Anfang der Meßzeit erfolgt, in einem Bereich also, in dem noch keine sinnvollen Entscheidungen getroffen werden können, wird das Programm erst zu einem späteren Zeitpunkt ge­ startet. Im vorliegenden Beispiel erst 5 Minuten nach dem Koh­ lestop.

Am Beginn der Messung ist das Massenspektrometer völlig mit Stickstoff beaufschlagt. Beginnt nun die Messung, d. h. werden dem Massenspektrometer die zu untersuchenden Abgase zugeführt, sinkt der Eichgas-Stickstoff-Anteil im Massenspektrometer. Sinkt er unter 95%, wird durch Reset das Programm erst einmal außer Funktion gesetzt. Sind die 5 min. nach Ende der Kohlenstoffzu­ fuhr erreicht, wird wieder abgefragt, ob der Eichgasanteil des Massenspektrometers auf unter 95% abgesunken ist. Wird diese Frage bejaht, wird der Zähler im Programm auf 0 gesetzt und die erste Bedingung wird abgefragt. In diesem Fall lautet die Bedin­ gung "steigt der Stickstoffgehalt". Wird dies verneint, wird der Durchlauf neu gestartet. Ist die Bedingung erfüllt, wird die zweite Bedingung abgefragt, in diesem Fall "steigt der Kohlendi­ oxidgehalt". Wird dies verneint, wird der Durchlauf neu gestar­ tet, wird dies bejaht, wird die dritte Bedingung abgefragt, in diesem Fall "fällt der Kohlenmonoxidanteil". Wird dies verneint, wird erneut gestartet. Anderenfalls werden noch andere Bedingun­ gen berücksichtigt, so z. B. fällt der zeitliche Verlauf des Verhältnisses von CO zu N₂. Eine weitere Bedingung könnte sein, ob der Gradient der abfallenden Flanke dieses Verhältnisses (CO/N₂) einen bestimmten Wert überschreitet. Sind alle Bedingun­ gen erfüllt, wird der Zähler um eins höhergesetzt und die Abfra­ gung der Bedingungen erfolgt für den nächsten Meßpunkt. Erreicht die Anzahl der Durchläufe (Loopings) einen vorher eingestellten Wert, wird das Verfahren beendet und das Signal zum Abschalten der Sauerstoffzufuhr erzeugt.

Das eben erläuterte Flußdiagramm aus Fig. 5 ist rein beispiels­ weise zu verstehen. So ist es natürlich möglich, daß lediglich zwei Bedingungen abgefragt werden und daß die Anzahl der Durch­ läufe zwischen n = 2 und n = 10, vorteilhafterweise jedoch auf 7 vorher festgelegt werden kann.

Claims (7)

1. Verfahren zur Bestimmung des Endpunktes für den Frischprozeß in Sauerstoffkonvertern bei der Stahlerzeugung, bei dem während des Frischens fortlaufend aus dem Konverter entweichende Abgasbestandteile massenspektrometrisch analysiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitlichen Änderungen der analysierten Abgasbestandteile und/oder daraus abgeleiteter Parameter mit Hilfe eines Rechnerprogramms fortlaufend mit einer Sollkurve verglichen werden, und nachdem über eine bestimmte Anzahl von hintereinander liegenden Meßwerten die vorgegebenen Bedingungen vom Rechner als erfüllt erkannt worden sind, die Sauerstoffzufuhr beendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Abgasbestandteile CO und/oder CO₂ und N₂ analysiert werden, aus deren gemessenem Wert die Parameter abgeleitet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Parameter die Abgasrate G_A und/oder Konvertergas G_K und/oder dC/dO₂ und/oder CO (100 - N₂)/100 und/oder CO/N₂ und/oder CO² (1/N₂ - 1/100) aus den gemessenen Werten der Abgasbestandteile ermittelt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Beginn der Endpunktbestimmungsmessung der Kohlenmonoxidanteil über 40 Vol-% und der Stickstoffanteil unter 40 Vol-% im Abgasstrom betragen soll.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessenen Werte Analogwerte sind, die digitalisiert werden und dann dem Rechner zugeführt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner im DDC-Modus die Sauerstoffzufuhr selbständig beendet.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner das Signal zur Beendigung der Sauerstoffzufuhr über einen digitalen Ausgang zum Konverterleitstand sendet, wo dann die Sauerstoffzufuhr abgeschaltet wird.